基本信息

项目名称:
多模态脑机接口轮椅控制系统
小类:
信息技术
简介:
本作品设计和实现了基于脑机接口的电动轮椅控制,目的在于给存在运动功能障碍的残疾人或者有相关需要的人员提供另一种意愿输出的途径以及与外界环境交互的能力,为其给予生活或工作方面的辅助。实际的系统可以做到使用者仅须通过脑的想象与接受车载电脑的刺激就可以控制轮椅的转向、前进、后退、加速、减速、启动和停止等。
详细介绍:
本作品设计和实现了基于脑机接口的电动轮椅控制,目的在于给存在运动功能障碍的残疾人或者有相关需要的人员提供另一种意愿输出的途径以及与外界环境交互的能力,为其给予生活或工作方面的辅助。其中脑机接口的实现采用了多模态的信号处理及模式识别方法,首先从脑电信号中提取两种独立的信号进行二维的运动控制,其次还通过融合两种信号特征进行轮椅运行速度的控制。实际的系统可以做到使用者仅须通过脑的想象与接受车载电脑的刺激就可以控制轮椅的转向、前进、后退、加速、减速、启动和停止等。

作品图片

  • 多模态脑机接口轮椅控制系统
  • 多模态脑机接口轮椅控制系统

作品专业信息

设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标

本作品设计与发明的目的是实现一种通过脑电来直接控制轮椅的脑机接口系统,给存在严重运动功能障碍的残疾人或者有相关需要的人员提供另一种轮椅驾驶控制手段,为其提供生活或工作方面的辅助。 作品设计的基本思路是通过针对脑电信号中多种特征模式,主要包括对使用者的运动想象(Motor imagery)和接受被动刺激时在脑电上的反映(P300视觉诱发电位),对脑电信号进行预处理及特征提取,并对其进行相应的分类或者回归分析,从而做到多自由度的控制输出。 创新点: 1.基于脑机接口的轮椅控制技术 2.多模态脑电信息整合技术 3.提供灵活的多自由度输出 4.轮椅异步控制技术 技术关键: 1.轮椅的改造与硬件平台的搭建。 2.脑电信号处理中特征的提取与选择方法:对脑电信号中时间、空间以及频率域特征进行有效的提取,并选取最有利于分类的特征。 3.脑电特征模式到控制指令的映射:对选取出来的特征必须合理的映射到输出指令上才能有效的对轮椅进行控制。 主要技术指标: 1.控制的精度:即控制指令的输出与使用者意愿的符合程度。 2.控制输出的速度:能在控制轮椅运动的过程中有效地避开障碍物,在紧急情况下快速停止,而且能够快速到达目标位置等。 3.使用者的体验:使用者体验调查能够在一定程度上反映该作品能否真正在实际中得到应用。

科学性、先进性

本作品不仅实现了脑机接口的多维运动控制,而且进一步提供了运动速度控制的功能,其中采用了基于多种脑电特征(P300诱发电位,运动想象)的多模态特征提取方法,而且通过对两种特征的有效融合实现了速度的控制。计算机根据头皮脑电信号中包含的P300诱发电位信息和运动想象节律信息特征,分别进行预处理、特征提取和分类。对于运动想象特征,我们首先进行CAR(共同平均参考)滤波,去掉通道间的直流分量,然后进行Mu(8-13Hz频带)节律的滤波,对滤波后的信号进行CSP(共同空间模式)变换得到信号的特征模式,再通过SVM(支持向量机)进行分类,得到轮椅运动的角度信息;同时对于P300诱发电位,首先对信号进行低通滤波,去除工频干扰,提取每个通道信号的幅值连接起来,加上运动想象的CSP特征,共同构成一个完整的特征向量,然后进行SVM 的分类,得到轮椅运动的速度信息。

获奖情况及鉴定结果

本作品所基于的脑机接口虚拟自动车,字符输入系统在2010年由国家基金委主办,清华大学承办的首届中国脑机接口比赛中获得了两个项目的第一名。

作品所处阶段

实验室阶段

技术转让方式

作品可展示的形式

实物、现场演示、图片、录像

使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测

在使用本作品前,使用者需要接受相关的一些训练。其中包括完成一段时间的P300和运动想象任务,建立相应的模型,然后进行计算机模拟的二维运动控制,在计算机模拟控制的性能达到要求后才能进行轮椅的控制。 本作品仅采用使用者的脑电信号作为输入,通过相应的信号处理及模式识别方法提取出多维的控制信号,进行轮椅的运动控制。其主要技术特点和优势如下: 1.多模态脑电信息整合技术 2.提供灵活的多自由度输出 3.轮椅异步控制技术 本作品适用于存在运动功能障碍的残疾人,有相关需要的人员及对此有兴趣的研究人员等。本作品不仅为使用者提供运动控制的功能,提高他们的生活质量与信心,而且经过一定的扩展,可以提供其他如文字输入,因特网浏览,家电控制等功能,给使用者带来更多的便利。本系统投产后将在残疾人辅助、生物医学、军事等领域有较大的市场与经济效益。

同类课题研究水平概述

近几年,脑机接口的相关研究取得了很大的发展,脑机接口在脑科学、神经科学、生物医学工程、信息,控制科学等领域都产生了很多应用。而在多自由度的运动控制方面的应用主要有虚拟环境漫游、计算机鼠标模拟、自动车控制(包括模型车、机器人、轮椅控制等)、假肢控制等。国内外一些脑机接口研究机构如美国纽约州立大学奥尔巴尼分校、德国Fraunhofer研究中心和图宾根大学、奥地利的Graz大学、日本Riken研究中心、新加波Infocomm研究中心,以及中国的清华大学等均发表了脑机接口轮椅控制的相关文章,主要采用的方法包括基于P300诱发电位、稳态视觉诱发电位(SSVEP)、运动想象的脑电信号特征提取与分类。仅适用视觉诱发电位(包括P300和SSVEP)的控制系统虽然实现简单,训练时间短,但由于离散控制的内在的缺陷,很难做到平滑,快速的控制。而单独依靠运动想象的实现则需要对使用者进行很长时间的训练,而且对使用者的依赖性很强。总结下来,主要有以下两类: 1. 通过对运动想象特征进行二分类来控制轮椅进行简单的转向和匀速运动。此类方法功能简单,仅能做到最基本的转向,而实际应用中经常会遇到需要停止运动的情况,如转弯角度较大或者掉头。这种情况仅依靠转向功能是很难应付的。 2. 通过P300或者SSVEP脑电特征来进行多自由度的轮椅控制。该控制方法通常需要对使用者受到多次重复的刺激的信号进行平均来计算输出,检测速度较慢,使用者长时间注视刺激信号,而且由于是同步工作方式,容易疲劳。
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